新能源汽車(chē)、電網(wǎng)儲能、極地科考、深空探測等領(lǐng)域的發(fā)展，對儲能電池的能量密度和低溫性能提出了更高的要求。近年來(lái)，高理論比容量的金屬鋰作為負極的鋰金屬電池成為最有前景的高能量密度電池體系之一。然而，由于傳統酯基電解液中，鋰離子與溶劑存在強相互作用，使得鋰離子的遷移速度慢和電極/電解液界面穩定性差，限制了鋰金屬電池在低溫環(huán)境的應用。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心先進(jìn)炭材料研究部新型電化學(xué)儲能與器件團隊提出了電解液中的氧鍵設計策略，實(shí)現了鋰金屬電池在低溫環(huán)境下優(yōu)異的性能。研究發(fā)現電解液溶劑氧鍵的鍵能與離子配位、界面傳輸性能緊密相關(guān)，經(jīng)過(guò)大量篩選，獲得了弱氧鍵的四氫呋喃基醚類(lèi)溶劑，并闡明了不同氧鍵的砜（S=O）、酯（C=O）、醚（C-O）類(lèi)溶劑對電解液結構和溫度適應性的影響規律。在此基礎上，利用氫氟醚共溶劑與醚類(lèi)溶劑分子間的氫鍵作用，削弱鋰離子與四氫呋喃基醚類(lèi)溶劑中氧配體的相互作用，構建了低溫穩定的電解液結構，顯著(zhù)提高了電極/電解液界面反應動(dòng)力學(xué)和界面穩定性?；谏鲜霾呗栽O計的低溫電解液，實(shí)現了鋰金屬電池在室溫、零下20℃和零下40℃環(huán)境下循環(huán)150圈均無(wú)明顯壽命衰減，是目前文獻報道中低溫循環(huán)最穩定的鋰金屬電池之一，還可構建安時(shí)級高性能鋰金屬電池，為低溫鋰電池用電解液設計提供了新思路。
該研究成果“Designing Temperature-Insensitive Solvated Electrolytes for Low-Temperature Lithium Metal Batteries”以封面論文發(fā)表于《美國化學(xué)會(huì )志》（Journal of the American Chemical Society）期刊，DOI: 10.1021/jacs.4c01735。中國科學(xué)院金屬研究所樸楠副研究員為論文第一作者，浙江大學(xué)博士生王金澤為論文共同第一作者，中國科學(xué)院金屬研究所李峰研究員為論文通訊作者。該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導專(zhuān)項、中國博士后科學(xué)基金和遼寧省科技計劃等項目的資助。
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圖1.低溫電解液的設計。
圖2. 低溫鋰金屬電池的性能。
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